摘要：介紹了單晶金屬與多晶金屬的塑性變形機理。綜述了目前錫箔及焊錫絲的使用弊端。經分析認為單晶錫更適合制備高質量的錫箔、焊錫絲。
　　關鍵詞：單晶，錫箔，焊錫絲
　　前言
　　錫具有獨特的性質：低熔點、無毒、耐腐蝕、具有優良的展性、以及外表光亮美觀等，錫制品廣泛應用于各行各業，且具有其它金屬不能同時兼有的一些特性，因而在人類生產和生活中起著重要的作用。西安交大的王建、邢建東等研究通過自制水平熱型連鑄設備制備了單晶Sn帶材，單晶Sn帶材生長方向為[110],單晶錫帶材和普通多晶錫軋制試驗表明單晶錫具有比多晶錫良好的塑變性能【1】。單晶錫錠由于沒有晶界，其延展性會大幅度提高，純度亦比普通錫錠高，是制造高質量錫產品以及錫箔的極具競爭力的源頭材料。
　　1單晶金屬與多晶金屬塑性變形的區別
　　1.1多晶金屬的塑性變形
　　多晶體金屬塑性變形的特點【2】：1．各晶粒變形的不同時性和不均勻性。2．各晶粒變形的相互協調性，需要五個以上的獨立滑移系同時動作。由于晶界阻滯效應及取向差效應，變形從某個晶粒開始以后，不可能從一個晶粒直接延續到另一個晶粒之中，但多晶體作為一個連續的整體。每個晶粒處于其它晶粒的包圍之中，不允許各個晶粒在任一滑移系中自由變形，否則必將造成晶界開裂。VonMises指出：晶粒應至少能在五個獨立的滑移系上進行滑移。fcc和bcc金屬能滿足五個以上獨立滑移系的條件，塑性通常較好；而hcp金屬獨立滑移系少，塑通常不好�；�移的傳遞，必須激發相鄰晶粒的位錯源。多晶體的變形抗力比單晶體大，變形更不均勻。由于晶界阻滯效應及取向差效應，使多晶體的變形抗力比單晶體大，其中，取向差效應是多晶體加工硬化更主要的原因。hcp系的多晶體金屬與單晶體比較，前者具有明顯的晶界阻滯效應和極高的加工硬化率。
　　1.2單晶金屬的塑性變形
　　單晶體塑性變形有“滑移”和“孿生”等不同方式，大多數情況以滑移方式發生。由大量位錯移動而導致晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定晶面和晶向作相對的移動，即晶體塑性變形的滑移機制。正應力只能引起晶格的彈性伸長，或進一步把晶體拉斷。切應力可使晶格在發生彈性歪扭之后，進一步造成滑移。通過大量的晶面滑移，最終使試樣拉長變細滑移變形是不均勻的，常集中在一部分晶面上，而處于各滑移帶之間的晶體沒有產生滑移，滑移帶的發展過程，首先是出現細滑移線，后來才發展成帶，而且，滑移線的數目隨應變程度的增大而增多，它們之間的距離則在縮短。
　　晶體的滑移通常是沿著滑移面發生的，滑移是沿著滑移方向進行的，滑移面與滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因為此時派納力最小。一個滑移面和此面上的一個滑移方向組成一個滑移系。
　　
　　b：柏氏矢量G：切變模量γ：泊松比a：滑移面的面間距
　　臨界分切應力，最大分切應力正好落在與外力軸成45o角的晶面以及與外力軸成45o角的滑移方向上。假設對一個單晶圓柱體試樣作拉伸試驗，滑移面的面積
　　
　　作用在此滑移面上的應力如圖1所示：
　　
　　圖1外力作用在滑移方向的分應力
　　應力與外力F方向相同，可分解為兩個分應力，一個為垂直于滑移面的分正應力，另一個為分切應力。分切應力τ作用在滑移方向使晶體產生滑移，其大小為：
　　
　　cosφcosλ稱為取向因子，或稱施密特因子（Schmid）取向因子越大，則分切應力越大。對于任一給定的φ值，取向因子的最大值出現在λ=90o-φ時：
　　
　　當φ=45o時，取向因子有最大值1/2，此時，得到最大分切應力。能使晶體滑移的力是外力在滑移系上的分切應力。在拉伸時，可以粗略認為金屬單晶體在外力作用下，拉伸和壓縮時晶體的轉動如圖3所示：
　　
　　圖3晶體在拉伸過程中的變形
　　拉伸作用在中間一層金屬上下兩面的作用力σ可分為兩個分應力：當外力分解到滑移面上的最大分切應力與滑移方向不一致時，又可分解為平行于滑移方向和垂直于滑移方向的兩個分力。前一分力是產生滑移的有效分切應力，后一分力將構成一對作用在晶塊上下滑移面上的力偶，力圖使滑移方向轉至最大切應力方向。拉伸時，在產生滑移的過程中，晶體的位向在不斷改變，不僅滑移面在轉動，而且滑移方向也改變位向。
　　2.單晶錫的應用
　　2.1單晶錫在錫箔中的應用
　　錫作為一種現代工業的基礎材料，其應用范圍日益廣闊。錫具有低熔點、無毒、耐腐蝕、具有優良的展性、以及外表光亮美觀等。純錫主要用來制造馬口鐵及錫箔，也可用于各種器皿鍍錫。普通錫（合金）錠屬多晶組織，雖具有良好的展性，但延性很差，不易拉拔成絲；晶界存在雜質，使得錫箔在壓延到一定厚度后即產生裂紋、空洞和厚度不均勻等現象，使得錫箔的厚度受到限制，且所得錫箔的表面質量很差。單晶錫錠由于沒有晶界，其延展性會大幅度提高，純度亦比普通錫錠高的多，將是制造高質量錫產品的極具競爭力的源頭材料。
　　高質量的錫箔市場前景可觀。主要應用于：電子材料（電容器、屏蔽電纜等）、包裝材料（藥品、食品等，要求防潮、不透氣、保鮮、遮光）、裝飾材料及工藝品、日用品（烹調、餐飲器皿）等。隨著國內人民生活水平及工、農業水平的提高，錫箔的用量及需求將大幅度提高。近年來我國錫箔的進口量每年約在600-700噸，而主要為高質量的錫箔產品。生產高質量錫箔的利潤及市場相當可觀。在眾多的錫箔應用場合中,食品及藥品的包裝占有相當大的比例，且隨著國民經濟的不斷發展與人們生活水平的不斷提高,對錫箔質量的要求也越來越高。國產錫箔厚而脆，并存在微觀針孔，除生產工藝外，用于生產錫箔的原料多晶錫板由于其低的延性以及晶界存在雜質，是導致國產錫箔質量低的主要原因。而對于食品及藥品包裝，如果錫箔存在針孔，將嚴重影響袋內物品的保鮮與保質期；此外，厚的錫箔無疑造成錫的很大浪費，增加包裝業的成本，降低產品的市場競爭力。由于近年來錫價的颼張，使得以錫為原料的錫箔膠帽價格飛漲4．5倍【3】。大型葡萄酒及高檔白酒公司成本逐漸上升，食品及藥品包裝成本也上升。要解決這種問題就得降低現有的錫箔膠蓋成本，那就得加工更薄、質量更好的錫箔，從而使同等面積的錫箔減少錫含量，降低成本。使用單晶錫可以生產高質量的錫箔，并可減少錫資源的浪費，滿足市場需要，保證人體健康，是一種具有高技術含量的綠色加工產品。
　　隨著包裝材料的廣泛使用和烹飪工藝的變化創新，在現代餐飲中，食品用錫箔紙已大量出現在菜品制作中，它不僅裝飾、美化了菜品的外形，而且在菜品的特色、風味上形成了獨特的效果，達到了傳統烹飪方法難以達到的效果，提升了菜品的風格和檔次。首先，錫箔紙最常見的用途是作為一種裝飾美化材料。由于錫箔較薄，且具有很強的可塑性，所以在烹飪中常�？梢哉郫B成盛器的形狀，如半月形、條盤形、三角形、四邊形等等，起到防漏、保溫的作用。在包裹食品時，不僅美觀，而且取用方便、衛生。
　　2.2單晶錫在焊錫中的應用
　　焊錫在我國具有很大的消費市場，隨著電子信息行業的發展，電子線路越來越復雜，越來越精細，質量要求越來越高，高質量的焊絲產品需求日益提高。軟釬焊料是指熔化溫度（或液相線溫度）低于450℃的焊接材料。其中，錫焊料是軟釬焊工藝應用中最主要、最廣泛的焊接材料。根據需要焊接的金屬和用途、使用環境和操作要求的差異性，而形成了錫基（合金）二元系、三元系和多元系的錠、條、絲、片、棒、粒等不同的系列和規格。其中，軟釬焊絲是錫焊料產品中最廣泛的品種之一，廣泛應用于電子工業、IT產業、移動通迅、儀器儀表制造業、電器產品制造業、汽車工業和其它機器制造業。并隨著電子工業及信息產業的飛速發展，其用途、用量也日趨擴大。
　　焊絲是采用拉絲機按所要求，通過粗拉、中拉、細拉、光整等工序，生產軟釬焊絲（材）。在現行錫基軟釬焊絲的生產工藝中，當絲徑φ＜0.5mm時，無論是產率，還是工藝體系的保障程度都明顯降低。主要表現為斷絲次數、“縮頸”現象明顯增加。而單晶焊錫線材沒有晶界，因具有良好的塑性變形性能便于拉拔成極細的高質量線材，這就避免了多晶焊錫被拉時的斷絲、“縮頸”現象。從而提高拉絲效率，降低成本。
　　2.3超導應用
　　處于超導狀態的導體稱之為“超導體”。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中流大的電流，從而產生超強磁場。
　　1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德對單晶錫球進行實驗發現：錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了【4】，人們將這種現象稱之為“邁斯納效應”。后來人們還做過這樣一個實驗：在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小但磁性很強的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現超導性，這時可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸空不動。預計在今后的科學發展中單晶錫作為超導材料在超導技術中有著廣闊的應用前景。
　　
　　結論
　　單晶錫材消除了晶界、氣孔和夾雜等鑄造缺陷，是制備高質量超薄錫箔和極細焊絲的優質坯料。
　　
　　參考文獻
　　【1】王建，邢建東，王德義，姜紅喜.熱型連鑄單晶Sn帶材制備工藝及其性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2008，37（9）：1610.
　　【2】潘金生，仝健民，田民波《材料科學基礎》[M].清華大學出版社.
　　【3】行業資訊，2008.17（5）：70.